JP2004523053A

JP2004523053A - 高密度光記録及び再生用光ピックアップ装置

Info

Publication number: JP2004523053A
Application number: JP2002543433A
Authority: JP
Inventors: タエ−サンソン
Original assignee: タエ−サンソン
Priority date: 2000-11-15
Filing date: 2001-11-14
Publication date: 2004-07-29
Also published as: US20040036980A1; AU2002221146A1; US7106524B2; WO2002041309A1

Abstract

【課題】光記録媒体及び光ピックアップ装置の耐久性を向上させること。
【解決手段】本発明の高密度記録/再生が可能な光ピックアップ装置は光を生成、射出して光記録媒体から放射される光を受光する光モジュールと、前記光モジュールと光記録媒体の間の光経路に配置されて、前記光記録媒体の基板側に近接するように前記光記録媒体の基板側に向かう第１面は平面をなし、前記光モジュールに向かう第２面は非球面をなす固体浸レンズを含む。固体浸レンズは追加の集光用対物レンズなく光モジュールから出た光線を集めさせ光記録媒体の基板を通過して前記光記録媒体の信号記録面に結像させる。光モジュールから出た光線が平行光線で、固体浸レンズが光記録媒体の基板の屈折率と同じ屈折率を有する場合、固体浸レンズの第２面は楕円面になり、一方、光モジュールから出た光線が発散光線で、固体浸レンズが光記録媒体の基板の屈折率と同じ屈折率を有する場合、固体浸レンズの第２面はカーテシアンオーバルになる。
【選択図】図１

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は光ディスクのような記録媒体に情報を記録、再生するための光ピックアップ装置に関し、特に高密度記録及び再生のために記録媒体に近接して光を集めることができる高密度光記録及び再生用光ピックアップ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近、コンピュータの記録装置や音楽、画像情報のパッケージメディアとしての光ディスクや、光磁気ディスクなどの光記録媒体の高密度化が進められている。光記録媒体の高密度化のためには情報を記録、再生する光ピックアップ装置の光スポットの大きさを小さくしなければならない。光スポットの直径は使用波長に比例し開口数に反比例するために、光スポットの大きさを小さくする方法は、大別して、光源の波長を減らす方法と対物レンズ系の開口数を大きくする方法が研究されている。光源の波長を減らす方法としては短波長を発生させるレーザーダイオードの開発が進行中である。
【０００３】
光ピックアップ装置で使用する対物レンズ系の開口数を大きくする方法は特許文献１（米国特許第5,125,750号）で提案されたように固体浸レンズ（Solid Immersion Lens: SIL）を使用して光ディスクの信号記録面側に半球形の固体浸レンズを近接させて開口数を大きくする方式が開発されており、図１０に、このような固体浸レンズを使用した光ピックアップ装置が示されている。図１０に示された光ピックアップ装置はレーザーダイオードで構成された光源１０で発生したレーザー光線がコリメーターレンズ１２を通過しながら平行光線になり、光線分割器１４を通過して集光用対物レンズ１６及び固体浸レンズ１８を含む対物レンズ系に入射する。集光用対物レンズ１６は入射した平行光線を固体浸レンズ１８に集光させ、固体浸レンズ１８は開口数を大きくする役割をして光ディスク２０の信号記録面１９上に光線を結像させる。この時、信号記録面１９上に集められた光は、その記録面から回折/反射されて再び固体浸レンズ１８、集光用対物レンズ１６を経て光線分割器１４に入射し、光線分割器１４から反射されてフィールドレンズ２２を経て光検出器２４に入射する。光検出器２４は入射した光線を復調して元来の信号で再生する。
【０００４】
この時、集光用対物レンズ１６と固体浸レンズ１８を通じて結ばれる光スポットの大きさは
d〜w/(NA*n)=w/NA_eff
ここでdは光スポットの直径、wは使用する光源の波長、NAは集光用対物レンズの空気中での開口数、nは固体浸レンズの屈折率である。結果的に固体浸レンズを屈折率が大きい材質（普通２以上）で形成して使用する場合、有効開口数（NA_eff）が大きくなるので相当に小さい光スポットを形成することができた。
【０００５】
しかし、固体浸レンズ１８を光ディスク２０の信号記録面１９側で使用して記録する方式では、記録/再生時に固体浸レンズ１８と光ディスク２０が互いに接触することがあるため、摩擦、摩耗などによって光ディスクの信号記録面の情報が損失する可能性が大きく、光記録のために光を照射する場合、発生する高熱で種々の化学的変化及び物理的変化を生じることがあるので、光ディスクや光ピックアップ装置の損傷が防止できなかった。
【０００６】
このような問題を解決するために光ディスクの基板側から固体浸レンズを使用して光を照射する方式が特許文献２（日本特開平8-221790）で提案された。このような光ピックアップ装置は図１１に示されていて、固体浸レンズ１８´は光ディスク２０の信号記録面１９ではなく基板２１側に対向するように構成され、その形状が、基板２１側は平面であるが、集光用対物レンズ１６に向かう面は球面であって、球の中心は光ディスク２０の信号記録面１９上に位置するように構成されている。したがって、集光用対物レンズ１６を通過した光線が固体浸レンズ１８´に入射すれば固体浸レンズ１８´によって光ディスク２０の基板２１を通過して信号記録面１９に結像する。
【特許文献１】
米国特許第５，１２５，７５０号
【特許文献２】
特開平８−２２１７９０号
【０００７】
しかし、図１１に示された光ピックアップ装置を使用する場合には、固体浸レンズ１８’の屈折率が、基板の屈折率と同一でなければならないので基板の屈折率である１．５〜１．５５程度に制限される。普通の固体浸レンズの場合は、通常屈折率が２程度である高屈折材料を使用して光スポットの大きさを小さくしている点に比べると、図１１の固体浸レンズ１８’は、基板の屈折率である１．５〜１．５５程度で大概は希望の場合より屈折率が減少して記録密度を高めることができない。
【０００８】
また、図１０及び図１１に示された従来の光ピックアップ装置は全てコリメーターレンズ１２を通過して生成された平行光線を固体浸レンズ１８、１８’に入射させる前に集光用対物レンズ１６を追加して使用するために、装置の構成が複雑で大型化する問題があった。さらに、固体浸レンズとディスク基板の屈折率が同一な場合にだけ使用できるので、固体浸レンズとディスク基板の屈折率が異なる場合には使用できなかったり、収差によって性能が低下する問題が発生する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、本発明の目的は前記で言及した問題点を解消する改善された光ピックアップ装置を提供することであって、対物レンズ系として１枚の固体浸レンズだけを採用して簡単でコンパクトな構造を有する高密度記録/再生が可能な光ピックアップ装置を提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、光記録媒体の基板側に固体浸レンズを使用して光記録媒体と光ピックアップ装置の耐久性を向上させることができ、非球面を含む固体浸レンズを使用して集光される光スポットの大きさを小さくすることができ、容易に製作、使用できる高密度記録/再生が可能な光ピックアップ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前述した目的を達成するために本発明は、光を生成、出射し光記録媒体から放射される光を受光する光モジュールと、前記光モジュールと光記録媒体の間の光経路に配置されて、前記光記録媒体の基板側に近接するように前記光記録媒体の基板と向かい合う第１面は平面をなし、前記光モジュールと向かい合う第２面は非球面をなす固体浸レンズを含む。
【００１２】
固体浸レンズは追加の集光用対物レンズが無い状態で光モジュールから出た光線を集めさせ光記録媒体の基板を通過して前記光記録媒体の信号記録面に結像させる。この時、光モジュールから出た光線が平行光線で、固体浸レンズが光記録媒体の基板の屈折率と同じ屈折率を有する場合、固体浸レンズの第２面は楕円面になり、一方光モジュールから出た光線が発散光線で、固体浸レンズが光記録媒体の基板の屈折率と同じ屈折率を有する場合、固体浸レンズの第２面はカーテシアンオーバルになる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明による光ピックアップ装置は光記録媒体の基板側で記録、再生をすることで光記録媒体及び光ピックアップ装置の耐久性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、添付した図面を参照して本発明による実施例について説明する。本発明はコンパクトディスク（CD）、デジタル多機能ディスク（DVD）、ミニディスク（MD）、光磁気ディスクなどを含む全ての光学記録媒体の記録/再生に用いることができるが、ここでは説明の便宜のために光ディスクの信号記録面に既に高密度記録された情報信号を再生する光ピックアップ装置についてのみ説明する。
【実施例１】
【００１５】
まず、図１を参照すれば、本発明の第１実施例による光ピックアップ装置が示されている。このような光ピックアップ装置は、光モジュール１００として表示できる構成要素、つまり、光源であるレーザーダイオード１１０、コリメーターレンズ１２０、光線分割器１４０、フィールドレンズ２２０及び光検出器２４０を含んで光源１１０から出た光はコリメーターレンズ１２０により平行光線になる。このような光モジュール１００は従来技術で説明したものとその構成及び動作が類似している。図１に示された光ピックアップ装置は対物レンズ系で固体浸レンズ１８０だけを含み、固体浸レンズ１８０は光モジュール１００と光ディスク２００の間の光経路に配置されている。固体浸レンズ１８０が、光ディスク２００の基板２０１側に近接するように光ディスク２００の基板２０１と向かい合う第１面１８１は平面をなし、光モジュール１００と向かい合う第２面１８２は曲面になっている。
【００１６】
一般に固体浸レンズ１８０は、光ディスク基板の屈折率とは異なる屈折率を有する材料で形成することができ、好ましくは光ディスク基板と同じ屈折率を有する材料で形成することができる。
【００１７】
まず、一般的な場合として固体浸レンズの屈折率が光ディスク基板の屈折率と異なる場合について図２を参照して説明する。図２で固体浸レンズ１８０の光軸をz軸とし、光軸と垂直な面上の半径方向をx軸とする時、空気の屈折率をn0、固体浸レンズ１８０の屈折率をn1、厚さをt1、光ディスク２００の基板２０１の屈折率をn2、厚さをt2として、固体浸レンズ１８０の第１面１８１に入射する光の入射角をθ1、光ディスク２００の信号記録面２０２に入射する光の入射角をθ2とすれば、固体浸レンズの第２面１８２に光軸として入射する光の光路と光軸から任意の半径（z、x）で入射する光の光路が全て同じなければ平行に入射する光線が一つの点に結像されない。したがって、固体浸レンズの第２面の任意の座標（z、x）は次式１及び２を満足しなければ、平行に入射する光線を１点に結像させられない。ここでは説明の便宜上、２次元式で表示したが、本技術分野の通常の知識を有する者であれば、x^２をx^２+y^２に替置して容易に３次元式として作ることができる。
【００１８】
【数１】

【数２】

【００１９】
このような固体浸レンズの場合、有効開口数NAがn2 sinθ2になるので、n2の値が大きい材料でディスクを形成して有効開口数の値が１より大きい値を有するようにすることができ、したがって、基板の信号記録面２０２に結ばれる光スポットの大きさをさらに小さく形成することができて高密度記録/再生ができる光ピックアップ装置を構成できる。
【００２０】
また、前記数式１及び数式２において、θ2を媒介変数としてzとxについて解けば、次式３、４のようにzとxに対する式を求めることができる。
【数３】

ここでnr=n2/n1である。
【数４】

【００２１】
一方、数式４を利用すれば、固体浸レンズの有効半径をxmaxとする時、光ディスクの基板に入射する最大入射角（θmax）を求めることができる。この時、最大開口数はn2×sin θmaxで表示でき、したがって、最大開口数もxmaxの関数となる。
【００２２】
例えば、固体浸レンズの屈折率（n1）が１．７５、厚さが１．２mm、光ディスク基板の屈折率（n2）が１．５２、厚さが１．２mm（CDの場合）である場合には、固体浸レンズの有効半径が約１．３３mmであり、開口数は約１．１２程度となる。また、光ディスク基板の厚さが０．６mmである場合には固体浸レンズの有効半径が約１．０２５mmであり、開口数は約１．３程度となる。一方、光ディスク基板の厚さが０．３mmである場合には固体浸レンズの有効半径が約０．７９mmであり、開口数は約１．４２程度となる。
【００２３】
したがって、固体浸レンズの可能な開口数は光ディスク基板の屈折率（n2）値より小さくなり、同じ有効半径を有する固体浸レンズである場合基板の厚さが薄いほど開口数をさらに大きくできることが分かる。
【００２４】
上の場合において、６５０nmのDVDの場合に対して計算すれば、光ディスクの記録容量は開口数（NA）の大きさの自乗に比例すると言えるので、６５０nm波長帯の赤色レーザーダイオードを光源として使用する場合、約２０GB以上の記録容量が得られ、４０５nm波長帯の青紫色レーザーダイオードを使用する場合には５０GB以上の記録容量が得られる。
【００２５】
次に、固体浸レンズがディスク基板の屈折率（n2）と同じ値を有する材料で形成された場合（n1=n2）について精査する。
【００２６】
固体浸レンズ１８０の屈折率が光ディスク基板２０１の屈折率と同じである場合、入射する光は第１面１８１と光ディスク２００の境界面でほとんど屈折されないので図３に示すように光ディスクの信号記録面２０２に結像する。つまり、n1がn2と同じであれば、θ1もθ2と同じであるので数式１は次のようになる。
【００２７】
【数５】

ここでa=t1+t2である。
【００２８】
数式５は楕円面の式で表現できるので固体浸レンズ１８０の第２面１８２は楕円面になり、図４を参照してこのような楕円面について精査する。
【００２９】
まず、固体浸レンズ１８０の光モジュール側の楕円曲面の頂点を原点として光軸の方向をz軸とし、光軸と垂直な半径方向をx軸とし、外部屈折率をn0、楕円内部の屈折率をn1、楕円の焦点のz軸座標値はaとすれば、楕円方程式は次式で示される。説明の便宜のために２次元式で表示したが、本技術分野の通常の知識を有する者であれば、x^２をx^２+y^２に替置して容易に３次元式として作ることができる。
【００３０】
【数６】

（R.K.Luneburg、Mathematical Theory of Optics, pp132-134参照）
【００３１】
一方、楕円の長半径をA、短半径をBとする時、一般的な楕円の方程式は次のとおりである。
【００３２】
【数７】

【００３３】
したがって、固体浸レンズ１８０の第２面である楕円面の長半径Aと短半径Bは次のとおりである。
【００３４】
この場合、楕円の離心率eは
【数８】

になって屈折率（n1）と楕円の焦点（a）によって固体浸レンズ１８０の楕円面
【数９】

を形成することができる。
【００３５】
一方、非球面は次のような一般式でも表現することができる。
【数１０】

ここでcは曲率であり、xはz軸からの距離、kはコニック定数であり、D、E、F...は４次、６次、８次，...の非球面係数である。
【００３６】
固体浸レンズ１８０の第２面１８２が楕円面である時、数式１０のような非球面式で表示する場合には曲率（c）とコニック定数（k）は次式で表示され、残り非球面係数（D、E、F...=０）の値は０である。
【００３７】
【数１１】

【００３８】
次に、固体浸レンズ１８０の第１面１８１の位置を見てみる。焦点（a）をすぎてx軸に平行な面（図３のF）が光ディスク２００の信号記録面２０２にならなければならないので（a-t）点をすぎ、x軸に平行な面（図４のE）が固体浸レンズ１８０の第１面１８１に位置しなければならない。
【００３９】
つまり、使用する光ディスクの屈折率n1、基板の厚さt及び使用する楕円面の焦点aを決める場合、固体浸レンズの第２面の楕円面は前記数式６または数式１０-１１により決められ、固体浸レンズの厚さは（a-t）になる。
【００４０】
したがって、前記のような形状を有する固体浸レンズ１８０に平行に入射された光束は楕円の焦点（a）に信号記録面２０２を有する光ディスクに正確に結像する。
【００４１】
一方、このような固体浸レンズ１８０で有り得る最大開口数NA_maxは次式で与えられる。
【００４２】
【数１２】

【００４３】
したがって、固体浸レンズ１８０の有効開口数NAはNA≦NA_maxの範囲値を有する。
【００４４】
例えば、n1=１．５５、n0=１．０である場合、最大有効開口数NA_maxは１．１８４程度になり、n1=１．５０、n0=１．０である場合、最大有効開口数NA_maxは１，１１８程度になって従来に比べて高い開口数が得られる。一方、固体浸レンズ１８０を支持するためのレンズ支持部は固体浸レンズの第２面である楕円面の短縮像の頂点から基板（E面）までの周囲を支持すること（図４の斜線部分）で光効率を最大にできる。
【００４５】
記録容量は光スポットの大きさの自乗に反比例するので、６５０nmのDVDの場合を計算してみれば、赤色のレーザーダイオード（波長６５０nm）を光源として使用する場合、１８GB程度の高密度データ容量を記録/再生することができ、青色のレーザーダイオード（波長４０５nm）を光源として使用する場合、４５GB程度の高密度データ容量を記録/再生することができる。
【００４６】
再び図１を参照すれば、このような第１実施例による光ピックアップ装置の動作原理はレーザーダイオードで構成された光源１１０から発生したレーザー光線がコリメーターレンズ１２０を通過しながら平行光線になり、光線分割器１４０を通過して固体浸レンズ１８０に入射され、再び光ディスク２００の基板２０１を通過して信号記録面２０２に結像される。
【００４７】
この時、固体浸レンズ１８０と光ディスク２００の間はほとんど接触した状態になって空気間隙がある場合にもその間隙が光源の波長程度の範囲に過ぎず、空気間隙による大きな差なしに小さい光スポットを得ることができる。このような特性が図５に示されており、図５のそれぞれの曲線は信号記録面２０２に結像した光スポットの光線プロファイルである。図面において、A曲線は開口数NAが１．０である時の理論的な光線プロファイルであり、B曲線は前記で計算したように最大有効開口数NAmaxが１．１１８である時、固体浸レンズ１８０と光ディスク２００の間の距離が１波長だけ離れている時であり、C曲線は（NAmax）が１．１１８である時、固体浸レンズ１８０と光ディスク２００の間が完全に接触した時の光線プロファイルを示す。図示のようにB曲線とC曲線がほとんど一致するので固体浸レンズと光ディスクが光源の波長程度離れた場合にはこれらが接触したと仮定しても全光学系には影響を与えない。つまり、固体浸レンズ１８０と光ディスク２００が完全に接触しない場合で、空気間隙がある場合には臨界角より大きく入射する場合が発生するが、このような場合にも空気間隙が非常に小さい場合には臨界角より大きく入射しても、量子力学的現象によって光が透過するので完全に接触した時を基準に説明するとしてもあまり差がない。これを通常固体浸レンズを使用する場合の近接場効果という（Eugene Hecht, Optics, Addison-Wesley Publishing Company、２版、pp107-108参照）。
【００４８】
一方、信号記録面２０２上に集められた光はその記録面から回折/反射されて再び固体浸レンズ１８０を経て光線分割器１４０に入射し、光線分割器１４０から反射されてフィールドレンズ２２０を経て光検出器２４０に入射する。光検出器２４０は入射した光線を復調して元来の信号で再生する。
【実施例２】
【００４９】
次に、図６を参照すれば、第２実施例の光ピックアップ装置が示されている。第１実施例が固体浸レンズに平行な光を入射させる無限光学系に関するものとすれば、第２実施例は固体浸レンズに発散する光を入射させる有限光学系に関するものである。第２実施例の光ピックアップ装置は光モジュール３００として表示できる構成要素群、つまり、光源であるレーザーダイオード、光線分割器、フィールドレンズ及び光検出器を含むものは、図１を参照して第１実施例で説明したものと類似である。ただし、第２実施例は図１のコリメーターレンズ１２０を含まず、光源１１０であるレーザーダイオードから発散する光を光線分割器を通じてそのまま固体浸レンズ３８０に入射させる。第２実施例でも集光用対物レンズを使用しないものは第１実施例と同じである。
【００５０】
このような光ピックアップ装置において、光モジュール３００と光ディスク２００の間の光路には固体浸レンズ３８０が配置されている。固体浸レンズ３８０は光ディスク２００の基板２０１側に近接するように光ディスク２００の基板２０１に向かう第１面３８１は平面をなし、光モジュール１００に向かう第２面３８２は非球面をなしている。
【００５１】
さらに、このような光ピックアップ装置において、光源であるレーザーダイオードは一般に平板形状の保護窓が具備されたモジュールとして提供される。つまり、レーザーダイオードの発光体から発散する光は固体浸レンズに到達する前に平板のガラス窓を通過した後、固体浸レンズ３８０に到達する。レーザーダイオードモジュールで使用する保護窓は、たとえ、その厚さが０．２５mm程度だけであっても、本実施例のように有限光学系で考慮されるべきである。したがって、図７を参照して説明するように固体浸レンズ３８０の第２面である非球面を設計時の設計要素として考慮するべきである。
【００５２】
図７において、光軸をz軸とし、光軸と垂直な面像の半径方向をx軸とする時、n0、n1、n2、n3は各々空気、レーザーダイオードの保護窓３９０、固体浸レンズ３８０、光ディスク基板２０２の屈折率であり、t01は光源から保護窓までの距離、t1は保護窓の厚さ、t02は保護窓から固体浸レンズの頂点までの距離、t2は固体浸レンズの厚さ、t3は光ディスク基板の厚さであり、φ０、φ１は各々保護窓に入射する光線の入射角及び屈折角であり、φ２は固体浸レンズの第１面に入射する光の入射角、φ３は光ディスクの信号記録面に入射する光の入射角である場合を考慮する。この場合、光源から発散する光線が保護窓３９０と固体浸レンズ３８０、光ディスクの基板２０１を通って信号記録面２０２に到達する全ての光線の光路が同一であるという条件、境界面での入射角と屈折角との関係によって次の数式１３及び１４が得られる。
【００５３】
したがって、固体浸レンズ第２面の（z、x）は次式１３及び１４を満足しなければ、発散光線を一点に結像させられない。ここでは説明の便宜のために、２次元式で表示したが、本技術分野の通常の知識を有する者であれば、x^２をx^２+y^２に替置して容易に３次元式として作ることができる。
【００５４】
【数１３】

【数１４】

【数１５】

【００５５】
一方、数式１５は次の数式１６に変形して表示することができる。
【数１６】

【００５６】
前記数式１３、１４と１５または１６を整理すれば次の数式１７乃至１９のようになる。
【００５７】
【数１７】

【００５８】
【数１８】

ここでTX=t01+t1+t02+t2である。
【００５９】
【数１９】

ここでC0=n0t01+n1t1+n0t02+n2t2+n3t3である。
【００６０】
したがって、数式１８及び１９において、zはφ０またはφ１の関数として表示でき、結局xはzだけの関数として表示できる。
【００６１】
例えば、n0=１．００、n1=１．５５、n2=１．８０、n3=１．５２、t01とt02の合計を７．０mm、保護窓の厚さがt1=０．２５mm、t2=１．５mm、t3=１．２mmである場合、固体浸レンズの有効半径は１．６５mm程度であり、最大有効開口数NAmaxは約１．３８程度を得ることができる。
【００６２】
他の例として、n0=１．０００３、n1=１．５５、n2=１．８０、n3=１．５２、t01+t02=７．０mm、t1=０．２５mm、t2=１．５mm、t3=０．６mmである場合には、固体浸レンズの有効半径が１．１９mm程度であり、最大有効開口数NAmaxは約１．３６程度が得られる。さらに、残り値は同一で光ディスク基板の厚さがt3=０．１である場合には有効半径が０．８３mm程度で、最大有効開口数NAmaxは約１．３４程度が得られる。一方、t3=０．１で、体浸漬レンズの厚さ（t2）が１．８mmである場合には固体浸レンズの有効半径が０．９７mm程度で、有効開口数は約１．２８程度を求められる。
【００６３】
以上から分かるように、光ディスクの基板が厚くなるほど同一な開口数を達成するための固体浸レンズの有効半径の大きさが大きくなる。
【００６４】
このような光ピックアップ装置の動作原理は、レーザーダイオードで構成された光源１１０から発生したレーザー光線が保護窓３９０を通じて発散し、図示しない光線分割器を通過して、固体浸レンズ１８０に入射し集光されて光ディスク２００の基板２０１を通過して信号記録面２０２に集光される。この時、信号記録面２０２上に集光された光はその記録面から回折/反射して再び固体浸レンズ１８０を経て図示しない光検出器に入射することは第１実施例と同一である。
【００６５】
さらに、第２実施例による光ピックアップ装置はコリメーターレンズを使用する必要がなく直ちに光源であるレーザーダイオードから出た光を使用するために光ピックアップ装置の小型、軽量化が一層容易になる。
【００６６】
以上では固体浸レンズと光ディスクが完全に接触した場合について説明したが、固体浸レンズと光ディスクが使用する光の波長程度の空気間隙に離れている場合には、量子力学的透過効果によって臨界角より大きい時も光線が透過する現象があるので完全に接触した場合と同様に用いることができる。
【００６７】
一方、図８に示すように、光モジュールから発散する光線が固体浸レンズに入射する前に平板保護窓がない場合（t1=０）（保護窓の屈折率が空気の屈折率と同一な場合、つまり、n1=n0でも該当する）光ディスク基板の屈折率が固体浸レンズの屈折率と同一であれば（n2=n3）、固体浸レンズの第２面は特殊な場合としてカーテシアンオーバル（Cartesian oval）曲面になる（R.K. Luneburg, Mathematical Theory of Optics, pp129-131参照）。
【００６８】
図９を参照して、カーテシアンオーバル曲面を説明する。有限な距離の一点を原点（光源）として置き、原点から出発する光線に対して屈折率n0である領域での移動経路をr０とし、屈折率n1である領域での移動経路をr１とする時、原点から出発する全ての光線の光路が一定であるとすれば、次式のような等式が成立する。図６同様説明の便宜のために２次元式で表示したが、本技術分野の通常の知識を有する者であればx^２をx^２+y^２に替置して容易に３次元式として作ることができる。
【００６９】
【数２０】

【００７０】
【数２１】

【００７１】
このような数式２０乃至２１を満足する曲面をカーテシアンオーバルという。この時、基板の厚さをt3とすれば、固体浸レンズの厚さはt2=（a-A-t3）になる。また、この実施例でも固体浸レンズ３８０を支持するためのレンズ支持部は、固体浸レンズの第２面３８２の光軸と垂直な面の最大頂点から基板までの周囲を支持すること（図８の斜線部分）により光効率を最大にすることができる。
【００７２】
本実施例の光ピックアップ装置に、ディスクの厚さが１．２mmである光ディスク（例えばCD）を使用すると仮定すれば、空気屈折率を１．０、基板２０１及び固体浸レンズ１８０の屈折率n1を１．５０とすれば、Aは２０．５mm、aは２４mm、カーテシアンオーバルの最大x軸半径Bは１．５１３mmになり、この場合、固体浸レンズの開口数NAが１．０４７になっても図６-７の従来ピックアップ装置の理論的な最大開口数１．０より大きくなる。また、厚さが０．６である光ディスク（例えばDVD）を使用すると仮定すれば、空気屈折率を１．０、基板２０１及び固体浸レンズ１８０の屈折率n1を１．５０とすれば、Aは１６．９mm、aは１８．９８mm、カーテシアンオーバル面３８２の最大x軸半径Bは０．９０２mmになり、この場合、固体浸レンズの開口数NAが１．０１８になって図６-７の従来ピックアップ装置の理論的な最大開口数１．０より大きくなる。
【００７３】
再び図６を参照してこのような光ピックアップ装置の動作原理を説明すれば、レーザーダイオードで構成された光源１１０から発生したレーザー光線が発散して図示しない光線分割器を通過して固体浸レンズ１８０に入射し集光されて光ディスク２００の基板２０１を通過して信号記録面２０２に集光される。この時、信号記録面２０２上に集光された光はその記録面から回折/反射されて再び固体浸レンズ１８０を経て図示しない光検出器に入射することは前述と同じである。
【００７４】
さらに、このような光ピックアップ装置はコリメーターレンズを使用する必要がなく直ちに光源であるレーザーダイオードから出た光を使用するために光ピックアップ装置の小型、軽量化が一層容易になる。
【００７５】
一方、第１実施例または第２実施例において、固体浸レンズの第１面は平面になるべきであるが、実際には有効半径内のみ平面である必要があり、有効半径外では他の曲率や形態を有しても関係ない（図９a及び図９b参照）。このような場合、固体浸レンズの有効半径reffを次式のように求めることができる。
【００７６】
【数２２】

ここでt_substrateは光ディスク基板の厚さ、ψは光ディスクへの入射角、NAは有効開口数、n_substrateは光ディスク基板の屈折率である。
【００７７】
前記のように、有効半径内で平面である必要があるのが理想的で一般的である。しかし、実際の場合は、有効半径内において、面の最高点と最低点の差が使用波長の数倍程度の差を有する連続面である場合には平面と同じ性能を有する。したがって、第１面の曲率半径（R）は
R-√（R^２-r_eff ^２）≦使用波長
の範囲内で有用である。この時、曲率は図９aに示すように正の値（+）であっても、図９bに示すように負の値（−）であっても構わない。
【００７８】
例えば、曲面の半径が１０００mmで、有効半径が１mmである場合には有効半径内の最高点と最低点の差が０．０００５mmであるので、６５０nmである場合には十分に有効である。
【００７９】
実際には、加工でなくて金型によって大量生産をする場合は少しの曲率を与えることが生産における効率と精密度を高めることができる。つまり、固体浸レンズと光ディスクの間に空気間隙がある場合で、また臨界角より大きい場合で入射する時は伝達される光の電界の大きさはe^-bzの比で光ディスク面に伝達されるので、空気間隙であるz値が大きければ大きいほど、伝達される電界の大きさが減少する。この時、量子効果によって伝達される電界に影響を与える減少係数bは次のとおりである。
【００８０】
【数２３】

ここで、ψは固体浸レンズと光ディスクが接触したと判断した時の、固体浸レンズの第１面に入射する光線の入射角、または固体浸レンズの第１面１８１である平面または非常に大きい曲率半径を有する面に入射する光線の入射角である。
【００８１】
また、臨界角より小さい場合には通常の屈折法則によって伝達されるので前記の場合と類似している。つまり、固体浸レンズの平面を非常に大きな曲面を有するものと取り替ええる場合には平面に近似するので非常に小さい光度を有し、固体浸レンズの製作上の利点がある。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明による光ピックアップ装置は光記録媒体の基板側で記録、再生をすることで光記録媒体及び光ピックアップ装置の耐久性を向上させることができる。
【００８３】
また、本発明による光ピックアップ装置は、対物レンズ系として追加の集光用対物レンズを使用する必要がなく１枚の固体浸レンズだけを採用して簡単でコンパクトな構造にできる。
【００８４】
さらに、固体浸レンズを使用することによって開口数を１以上にして光スポットの大きさを小さくすることができて高密度記録/再生を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の第１実施例による高密度光記録及び再生用光ピックアップ装置を示した図面である。
【図２】図１の固体浸レンズ及び光ディスクでの光の進行を説明する図面である。
【図３】固体浸レンズと光ディスク基板の屈折率が同じ場合、光の進行を説明する図面である。
【図４】図３で固体浸レンズの楕円面と座標軸を示した図面である。
【図５】光ディスクの信号記録面に結像した光スポットの光線プロファイルを示した図面である。
【図６】本発明の第２実施例による高密度光記録及び再生用光ピックアップ装置を示した図面である。
【図７】図６の固体浸レンズ及び光ディスクでの光の進行を説明する図面である。
【図８】第２実施例で固体浸レンズと光ディスク基板の屈折率が同じ場合に固体浸レンズの形状を説明するための図面である。
【図９Ａ】固体浸レンズの第１面を説明するための図面である。
【図９Ｂ】固体浸レンズの第１面を説明するための図面である。
【図１０】光ディスクの記録面側から光が入射して記録/再生する従来技術による光ピックアップ装置を示した図面である。
【図１１】光ディスクの基板側から光が入射して記録/再生する従来技術による光ピックアップ装置を示した図面である。

Claims

信号記録面と少なくとも一つの基板を含む高密度光記録媒体で、信号記録面に情報を記録したり記録された情報を再生する光ピックアップ装置において、
平行光を生成、射出し、光記録媒体から放射される光を受光する光モジュールと、
前記光モジュールと光記録媒体の間の光経路に配置されて、前記光記録媒体の基板側に近接するように前記光記録媒体の基板に対向する第１面は平面をなし、前記光モジュールに対向する第２面は非球面をなす固体浸レンズとを含み、
前記光モジュールから出た平行光が前記固体浸レンズに入射して集光され光記録媒体の基板を通過して前記光記録媒体の信号記録面に集光されることを特徴とする高密度記録/再生が可能な光ピックアップ装置。
光軸をz軸とし、光軸と垂直な面上の半径方向をx軸とする時、前記固体浸レンズの第２面は次式

（ここで、n0は空気の屈折率、n1は固体浸レンズの屈折率、n2は光記録媒体基板の屈折率、θ2は固体浸レンズを通って基板に入射する光線の入射角、nrは固体浸レンズの屈折率に対する基板の屈折率の比（=n2/n1）、t1は固体浸レンズの厚さ、t2は光記録媒体基板の厚さである。）
を満足することを特徴とする、請求項１に記載の高密度記録/再生が可能な光ピックアップ装置。
前記固体浸レンズは前記光記録媒体の基板の屈折率と同じ屈折率を有する材料で形成され、前記第２面は楕円面であることを特徴とする、請求項１に記載の高密度記録/再生が可能な光ピックアップ装置。
前記固体浸レンズの第２面である楕円面は長半径A、短半径B、離心率eに対する次式
A = a n1 /(n1 + n0)
B = a √((n1-n0)/(n1+n0))
e = a n0 /(n1+n0)
（ここでaは楕円の長軸方向で頂点と楕円面の焦点の間の距離であり、n1は光記録媒体の基板の屈折率であり、n0は空気の屈折率である。）
を満足することを特徴とする、請求項３に記載の高密度記録/再生が可能な光ピックアップ装置。
光記録媒体の基板の厚さをtとする時、前記固体浸レンズの厚さが（a-t）であることを特徴とする、請求項４に記載の高密度記録/再生が可能な光ピックアップ装置。
n1は光記録媒体基板の屈折率であり、n0は空気の屈折率であるとする時、前記固体浸レンズの最大有効開口数NAmaxは
NAmax=√(n12-n02)
であることを特徴とする、請求項３に記載の高密度記録/再生が可能な光ピックアップ装置。
前記固体浸レンズの第２面である非球面の短軸上の頂点で前記固体浸レンズを支持するレンズ支持部をさらに含んで光効率を最大にすることを特徴とする、請求項１に記載の高密度記録/再生が可能な光ピックアップ装置。
信号記録面と少なくとも一つの基板を含む高密度光記録媒体で、信号記録面に情報を記録したり記録された情報を再生する光ピックアップ装置において、
発散光を生成、射出し、光記録媒体から放射される光を受光する光モジュールと、
前記光モジュールと光記録媒体の間の光経路に配置されて、前記光記録媒体の基板側に近接するように前記光記録媒体の基板に対向する第１面は平面をなし、前記光モジュールに対向する第２面は非球面をなし、前記光記録媒体の基板の屈折率と同じ屈折率を有する材料で形成された固体浸レンズとを含み、
前記光源から出た発散光が前記固体浸レンズに入射して集光され光記録媒体の基板を通過して前記光記録媒体の信号記録面に集光されることを特徴とする高密度記録/再生が可能な光ピックアップ装置。
前記光モジュールで生成された光は、光モジュールを出る前に透明な平板保護窓を通過し、
前記固体浸レンズの第２面は光軸をz軸とし、光軸と垂直な面上の半径方向をx軸とする時、次式

（ここでn0、n1、n2、n3は各々空気、保護窓、固体浸レンズ、光記録媒体基板の屈折率であり、t01は光源から保護窓までの距離、t1は保護窓の厚さ、t02は保護窓から固体浸レンズの頂点までの距離、t2は固体浸レンズの厚さ、t3は光記録媒体基板の厚さであり、φ０、φ１は各々保護窓E入射する光線の入射角及び屈折角、φ２は固体浸レンズの第１面に入射する光の入射角、φ３は基板に入射する光の入射角であり、TX=t01+t1+t02+t2、C0=n0 t01+n1 t1+n0 t02+n2 t2+n3 t3である。）
を満足することを特徴とする、請求項８に記載の高密度記録/再生が可能な光ピックアップ装置。
前記固体浸レンズの第２面はAが光源から頂点までの距離、aが光源と焦点の間の距離であり、n1は光記録媒体の屈折率であり、n0は空気の屈折率であるとする時、
n0 √(x²+z²)+ n1√(x²+(z-a)²) = n0 A + n1 (a-A)
を満足するカーテシアンオーバルである面からなることを特徴とする、請求項８に記載の高密度記録/再生が可能な光ピックアップ装置。
前記固体浸レンズの厚さは、光記録媒体の基板の厚さをtとする時、（a-A-t）であることを特徴とする、請求項１０に記載の高密度記録/再生が可能な光ピックアップ装置。
前記固体浸レンズの第２面の短軸上の頂点で前記固体浸レンズを支持するレンズ支持部をさらに含んで光効率を最大にすることを特徴とする、請求項８または１０に記載の高密度記録/再生が可能な光ピックアップ装置。
前記固体浸レンズの第１面は次式で与えられる有効半径 r_eff

（ここでt_substrateは光記録媒体基板の厚さ、ψは光記録媒体基板への入射角、NAは有効開口数、n_substrateは光記録媒体基板の屈折率である。）
内で平面であることを特徴とする、請求項１に記載の高密度記録/再生が可能な光ピックアップ装置。
前記固体浸レンズの第１面は完全な平面でなく次式で定義される曲率半径 Rを有し、
R-√（R^２-r_eff ^２）≦使用波長
この時、

（ここでt_substrateは光記録媒体基板の厚さ、ψは光記録媒体基板への入射角、NAは有効開口数、n_substrateは光記録媒体基板の屈折率である。）
であることを特徴とする、請求項１に記載の高密度記録/再生が可能な光ピックアップ装置。
前記固体浸レンズの第１面は次式で与えられる有効半径 r_eff

（ここでt_substrateは光記録媒体基板の厚さ、ψは光記録媒体基板への入射角、NAは有効開口数、n_substrateは光記録媒体基板の屈折率である。）
内で平面であることを特徴とする、請求項８に記載の高密度記録/再生が可能な光ピックアップ装置。
前記固体浸レンズの第１面は完全な平面でなく次式で定義される曲率半径（R）を有し、
R-√（R^２-r_eff ^２）≦使用波長

この時、
（ここで t_substrate は光記録媒体基板の厚さ、ψは光記録媒体基板への入射角、NAは有効開口数、n_substrate は光記録媒体基板の屈折率である。）
であることを特徴とする、請求項８に記載の高密度記録/再生が可能な光ピックアップ装置。